このランダムなビデオゲームが量子もつれ実験の原動力となる

2016年10月、ルワンダで研究をしていた生物学者ジョルディ・ガルバニーは、お気に入りのポッドキャストの一つ、カタルーニャ語のラジオ番組「Versió Rac 1」で、新しいオンラインゲームのことを耳にした。遊び方は簡単だとガルバニーは知った。1と0をできるだけランダムに、必死に入力するだけなのだ。ガルバニーは夢中になった。ルワンダの森に入り、野生のマウンテンゴリラの成長を測定するフィールドワークの合間に、彼はコンピューターにログインして1時間、そのゲームをプレイした。「予定表に書き込んだんです」とガルバニーは言う。「どうしてもやりたかったんです」

彼だけではありませんでした。翌月、主に11月30日を中心に、物理学者たちが展開した宣伝キャンペーンに応えて、世界中で約10万人が、この単純なキーボード連打ゲームをプレイしました。彼らが生成したランダムビットは、量子力学の最も奇妙な予測を検証するための野心的な新しい実験に使われることになるのです。

このプロジェクトの遂行は、科学実験というより交響曲の指揮に近かった。スペインのInstitut de Ciències Fotòniquesの物理学者、モーガン・ミッチェル氏が率いる数百人からなるグループは、ランダムビットを用いて5大陸11都市で13の異なる実験を、すべて1日で実行した。タイムゾーンの関係で、厳密には51時間にも及ぶ。ビットのほとんどは、人々がゲームをプレイする中でリアルタイムに実験に投入された。

しかし、これは単なるパフォーマンスではありませんでした。ICFOの大学院生カルロス・アベランが2015年に初めて提唱したこのアイデアは、量子力学理論によって予測される奇妙な現象である量子もつれが実際に存在するかどうかを世界規模で協調して検証するものでした。彼らはその検証結果を水曜日にネイチャー誌に発表しました。

量子力学によれば、宇宙は互いに連携して振る舞う一対の粒子を形成できる。つまり、一方に干渉すると、もう一方に即座に影響が及ぶ。物理学者たちは中国の衛星を用いて、700マイル以上離れたもつれ合った粒子のペアにおいてこの相関関係を観測しており、理論的には、粒子が銀河の反対側にあっても同じ現象が観測されるはずだ。

物理学者にとって、これは極めて奇妙な現象だ。まるで二つの物体が光速よりも速く通信できるかのように思える。しかし、これまでのすべての実験は、これらの粒子対が実際に遠くから互いに影響を与え合えることを示している。ミッチェル氏によると、実際に実験してみても、なかなか理解できないという。「数ヶ月もすれば、頭を掻きむしり始めるんです」と彼は言う。「あまりにも奇妙で、本当にそうなのだろうか？」

エンタングルメントの神秘性は、統計を通して間接的にしか観察できないという事実に由来しています。これは、サイコロの重さの分布を直接測定できないのに、サイコロを何千回も振って不正がないか調べるようなものです。同様に、エンタングルメントそのものを実際に測定することは決してありません。統計的な証拠を探すために、光子の向きなど、他の特性を測定するのです。

そこでアベランのグループは13の実験において、ベルテストと呼ばれる標準的な統計検定を複数の種類の量子粒子に対して実行しました。ベルテストの統計値は、何らかの隠れた手やバイアスが単にエンタングルメントの錯覚を作り出しているだけなのかどうかを明らかにすることができます。大まかに説明すると、量子粒子群の特性、例えば光子の向き（偏光）などを測定します。そのためには、特定の方向に向けた検出器で光子を「捉える」必要があります。しかし、光子を測定するという行為は、検出器の向きと関連して光子の向きを変化させます。そのため、偏りのない統計値を得るためには、検出器の向きをランダムに変化させる必要があります。

そして、これらのランダムな変更を行うには、乱数が必要です。

アベランが使いたかった乱数発生器とは？オンラインのRandosだ。彼のグループは、スマートフォンやパソコンのキーボードの1と0のキーをコントローラーのボタンとして使うゲームを設計した。人々がゲームをプレイすると、押した1と0のキーが世界中の各実験の検出器の設定を変える。

アベラン氏が最初にこのプロジェクトを提案した時、「皆、まるで夢を見ているかのようでした」とミッチェル氏は語る。実験に必要な量のランダムビットを生成するには、少なくとも3万人が必要だと彼は見積もった。「十分な人数を集められるなんて、途方もない話に思えました」と彼は言う。しかし、アベラン氏は2015年に数百万人が参加したALSアイスバケツチャレンジを引き合いに出し、徐々に彼を説得していった。「人々が興味を持つ何かを持ち、それを世に広めれば、信じられないほどの聴衆を集められると彼は言いました」とミッチェル氏は言う。

そこで彼らは6つのレベルを持つビデオゲームを設計しました。最初のレベルでは、1と0を押して街中を移動します。コンピューターはあなたの入力の予測不可能性に基づいてスコアを計算し、レベルをクリアするにはある程度のランダム性を達成する必要があります。裏では、あなたの入力が機械学習アルゴリズムに入力習慣を学習させています。2番目のレベルでは、コンピューターはあなたが入力する内容を推測しようとし、あなたはそれを騙そうとします。レベルは、狂ったようにキーを連打するシーンと、冷静に計算されたキー入力シーンが交互に登場します。

この情報を広めるため、チームはウェブサイトを立ち上げ、プレスリリースを発行し、もちろんハッシュタグ（#BIGBellTest）も立ち上げました。また、ミッチェルの地元スペインを中心に、高校の教師たちと協力して生徒たちにゲームをプレイしてもらうよう働きかけました。

最終的に、すべての実験が量子もつれが存在することを示唆しました。これは基礎科学を超えた意味を持つと、マサチューセッツ工科大学の物理学者デイビッド・カイザー氏は述べています（カイザー氏はこの研究には関与していません）。量子暗号や量子コンピューティングといった新興技術は、量子もつれに依存しています。物理学者がこの現象を完全に理解していなければ、技術は期待通りに動作しない可能性があります。企業がこれらの量子製品の開発に取り組む中で、ベルテストが品質管理に役立つことにも気づくかもしれません。

しかし、結果が説得力を持つ限り、この分野ではこの種のエンタングルメント実験は続けられるだろう。なぜなら、エンタングルメントの存在を完全に証明することは不可能かもしれないからだ、とカイザー氏は言う。研究者たちはエンタングルメントの存在を裏付ける実験をさらに行うことはできるが、あらゆる代替理論を排除できる実験は存在しない。「断固たる懐疑論者なら、これらの実験のどれか1つを試せば、おそらく小さな論理の抜け穴を見つけるだろう」と彼は言う。

現時点では、アベランとミッチェルのゲームはこれ以上のテストをサポートしていませんが、オンラインでプレイすることは可能です。

量子もつれ